1引言

遙感影像在時間和空間上具有連續性，是研究植被動態的重要數據源，其中陸地衛星（Landsat）應用最多，哨兵二號（Sentinel-2）近年來也被廣泛應用。根據植被的光譜特性，將不同波段進行組合運算，獲得多種植被指數，可簡單、有效地表征植被生理活動狀態。例如，通過建立歸一化植被指數（NDVI）與葉面積指數（LAI）之間的回歸模型，可以對宏觀尺度LAI進行預測；利用不同植被指數對冠層葉綠素含量進行估算，增加紅邊波段信息例如哨兵二號新型倒紅邊葉綠素指數（IRECI）和哨兵二號紅邊位置（S2REP），相比傳統植被指數，與植被生物物理變量具有更高的相關性，可定量表征植物的葉綠素含量以及葉面積指數等；根據NDVI數據可以很好地解釋植被生理活動的變化及其與氣候波動的相關性。遙感數據時間跨度長，可通過繪制長時間序列堆棧可檢測森林干擾與恢復；也可以利用增強植被指數（EVI）的時間序列數據可以檢測區域植被干旱現象；長時間的連續冠層光譜變化監測與分析，可以說明森林冠層某些屬性的季節以及年際變化特征，監測森林動態變化，揭示植被動態與氣候的關系。

隨著全球氣候變暖，森林群落的某些屬性也在逐漸變化，例如長白山近30年生長季在延長，部分物種生物量有增加趨勢，基于模型預測也得出相似的結論。研究常用Logistic模型解釋植被冠層物候相的變化。通過模型模擬出闊葉紅松林凈初級生產力（NPP）年際變化趨勢與EVI的波動趨勢相似，二者存在顯著的相關關系。有關長白山文獻報道的冠層光譜研究主要集中在年度變化、特征反演、高光譜特征分析等。

本研究通過遙感影像提取長白山闊葉紅松林（原始林）與楊樺林（次生林）多年冠層光譜信息，分析冠層光譜季節變化特征，以期通過不同波段數據以及植被指數變化，闡明長白山原始林與次生林物候進程、植被綠度年度變化趨勢及其與氣溫的關系，為揭示群落內部種間更替以及植被生產力對氣候因子的響應機制提供理論依據。

2原始林與次生林植被指數變化

2.1植被指數季節變化

植被指數反映綠度即生理活性，所以其呈現明顯的季節特征。從季節變化來看，NDVI和EVI均在第123天（5月3日）左右開始迅速上升，但NDVI在第143天（5月23日）左右到達最大值且在冠層蓋度達到一定水平后趨近于飽和，之后持續較長時間。EVI呈現鐘形曲線，在生長季期間，原始林與次生林季節進程差異明顯，次生林比原始林先達到峰值，且下降時間也較早。原始林較晚達到峰值可能是由于原始林中紅松展葉時間較長。非生長季階段，原始林和次生林植被指數差異較為明顯，原始林中存在常綠樹種，植被指數大于次生林。在植被生長旺盛期，NDVI近乎相等，次生林EVI更高，在此階段EVI更能反映二者之間生長差異。根據S2REP變化（圖4c），在生長季初期，原始林紅邊位置比次生林更接近長波，“紅邊”向長波方向位移，反映了植物葉綠素含量的增加，植物光合作用增強，吸收了更多的光量子。在生長旺盛時期，與原始林相比，次生林冠層紅邊位置更接近長波。隨著生長季的結束，二者冠層光譜逐漸向短波一側，即藍移

圖4 2019年長白山兩種森林植被的綠度(a、b)與紅邊位置季節變化(c)

NDVI對植被發育中期冠層變化較為敏感，常用于分析植被季節生長變化。由圖4可知，原始林與次生林NDVI均呈現出明顯的季節變化特征。本文對Landsat多年NDVI數據進行雙邏輯斯蒂曲線擬合，以NDVI變化（即日增量）表示植被返青增長速率以及衰減速率。根據圖5可知，原始林生長季為第139天至第276天，持續137d，而次生林生長季則在第133天至276天，持續143d。原始林與次生林生長季時間范圍基本相同。

長白山兩種森林植被歸一化植被指數邏輯斯蒂曲線

多年NDVI數據雙邏輯斯蒂擬合原始林R2為0.922，RMSE為0.0605；次生林R2為0.966，RMSE為0.0536。從擬合方程來看，原始林全年NDVI最低值為0.3，變動范圍為0.5260；次生林全年NDVI最低值為0.13，變動范圍為0.7262。原始林返青日增長速率為0.0765，日衰減速率為0.0639；次生林返青日增長速率為0.0612，日衰減速率為0.0554。二者NDVI具有相同的變化趨勢，即春季展葉期間增長，秋季落葉期間衰退。從NDVI變化來看，次生林生長季持續時間略長于原始林。在非生長季，與次生林相比，原始林NDVI較高，且變動幅度較大，這是由于原始林有較多的常綠針葉樹，且在早春和晚秋無冰凍期間仍有光合作用；次生林主要由落葉闊葉樹組成，落葉后沒有光合作用，所以相對穩定

2.2 植被綠度季節年際變化

由圖4可知，EVI可在生長旺盛時期反映原始林與次生林之間的差異，本研究選取EVI作為植被綠度變化指標。由圖6可知，植被綠度年際變化總的趨勢是，多年EVI一致在增加。原始林與次生林季節EVI線性增長趨勢均通過0.05的置信度檢驗，但季節增長速率（斜率）存在明顯差異。原始林EVI不同季節增長速度為：夏季>春季>冬季>秋季；次生林為：夏季>秋季>春季>冬季。從不同年份間的波動幅度來看，原始林與次生林都呈現出：秋季>春季>夏季>冬季。原始和次生林的EVI都表現為夏季年增長速率最大，分別為0.00385和0.00389，二者增長速度相近。從變動幅度來看，原始林春秋季EVI年度變動幅度較大，這可能與生長季始（返青）和生長季末（落葉）時間變化有關。冬季EVI也呈現出增長趨勢，與常綠針葉樹種的葉片特性有關。

圖6長白山兩種森林植被EVI季節變化(1985?2019年)

2.3植被綠度的生長季年際變化及其與氣溫的關系

從35年時間植被綠度的變化過程看，二者生長季EVI變化呈逐漸上升趨勢，次生林年上升速率為0.0030，原始林為0.0035，變化趨勢通過0.05的置信度檢驗，增長趨勢較為明顯。研究區氣溫上升緩慢，生長季平均氣溫上升速率為0.05℃/a。原始林與次生林生長季EVI最小值在1994年，最大值分別在2013年和2007年。二者生長季EVI在2000年后增長趨勢較為明顯，且多數年份EVI大于多年生長季平均EVI。研究區生長季多年平均氣溫為19.7℃，1997年后生長季平均氣溫明顯升高，除1994年，平均氣溫達到20.2℃，在1997年之前低于多年平均氣溫（圖7b）。1997年之后，生長季平均氣溫增加幅度較大。生長季最低為17.9℃（1986年），最高為21.2℃（2001年）。原始林與次生林生長季EVI在2000年前變化較為平緩，之后EVI變化呈逐漸上升趨勢。

圖7 長白山兩種森林植被生長季EVI(a)和氣溫(b)的關系(1985?2018年)

2.4 植被年際綠度變化與同期月氣溫的關系

原始林與次生林EVI多年月均值變化（圖8）與2019年EVI季節變化（圖4）結果相似。非生長季，原始林EVI月均值變化較為穩定，最低出現在11月，為0.17；次生林最低為0.10，出現在1月。生長初期二者EVI變化較快，6月份均到達最大值，且次生林大于原始林。原始林與次生林多年月標準差最大值均出現在5月份，這與其多年生長起始時間的變化有關。

圖8 長白山兩種森林植被EVI多年月均值與標準差(1985?2018年)

原始林與次生林月綠度（EVI）年際變化對同期氣溫變化響應存在差異（表1）。生長季初期植被綠度受氣溫影響較大，即氣溫升高會促進植被綠度的增加。原始林5、6月EVI年際變化與同期平均氣溫和最高氣溫顯著正相關，即隨著氣溫的升高，植被年際EVI呈增加的趨勢。與原始林相比，次生林6月平均氣溫與EVI相關系數沒有通過顯著性檢驗，且次生林EVI年際變化受春季氣溫影響較大，3、4月與同期平均氣溫呈顯著負相關。原始林與次生林8月EVI年際變化與同期最低氣溫顯著負相關。原始林10月EVI年際變化與同期最高氣溫顯著正相關，在生長季末期，原始林更容易受氣溫的影響。

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審核編輯黃昊宇